近地面空气温度探测高光谱激光雷达系统设计与实现
发布时间：2020-08-07 16:21
【摘要】：在大气物理化学、天气动力学、气象及环境的研究过程中,空气温度是基本的参数之一。空气温度的变化会使得大气动力学过程和微量成分的分布发生变化。探测近地面空气温度可以为大气环境、大气动力学过程和天气分析及预报等研究提供重要的参考信息。探测空气温度,对研究太阳辐射、城市热岛现象、提高气象预报准确度、特别对研究解释地球温暖化现象等具有重要的意义。近地面空气温度的分布具有很大程度的变化性,而目前的近地面温度测量手段多为接触式测量,无法避免其产生的原理性误差,因而人们很难准确的对空气温度进行探测。本文根据高光谱激光雷达近地面空气温度的探测方法,设计了近地面空气温度探测激光雷达系统,包括激光发射系统、光学接收系统、分光系统和光电探测系统。完成了激光发射系统部分的准直扩束系统和分光系统光学设计及分光系统和整体的机械结构设计。依据近地面空气温度探测要求和整个系统结构特性,设计了相匹配封装结构。通过SolidWorks有限元分析方法,对机械结构的温度特性和频率特性进行分析。利用设计的空气温度高光谱激光雷达系统,在实验室搭建了模拟探测系统,实现了散射池温度探测。根据脉冲激光频率及扫描式共聚焦F-P干涉仪参数设计了电压控制方法并完成了电压衰减电路调试。以可以调节温度和压力的散射池为探测对象,分别完成不同温度与压力下的散射谱散点测量,并对测得信号进行数据处理和反演,得到温度信息。结果表明,通过实验测得的瑞利散射散点谱反演得到的温度与实测温度误差小于1.9K,验证了系统的可行性。分析表明近地面高光谱瑞利测温雷达可以实现对温度的探测,为近地面空气温度探测提供了一种可行的方案。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98
【图文】：
和布里渊散射。布里渊散射会使得实验测得的瑞利散射谱加宽。米散射会使得实逡逑验测得的瑞利散射谱中心能量升高。因此，在利用瑞利散射进行温度测量时，必逡逑须对布里渊散射和米散射进行有效的剔除。米散射和瑞利散射谱型如图２－１所示。逡逑空气分子的瑞利散射谱函数Ｒ可表示为逡逑尺（Ｖ，Ｖ。）邋＝邋４Nｆ邋？邋ｅｘｐ［，２（？。）］逦（２－２）逡逑Ｖ邋0／邋ｖ０｛２ｔｉｋＴ）邋Ｌ邋２ｋＴｖＩ逡逑式中，ｍ为大气分子的分子质量，ｔｃ为玻尔兹曼常数，ｖ。为入射光频率，ｃ为逡逑光速，７为大气温度。逡逑空气分子瑞利散射光谱的多普勒展宽的半高全宽Ａｖｔ表示为逡逑Ｉ３２＾ｎ２逦（２－３）逡逑式中，▲为入射光波长，Ｍ为大气分子的相对分子质量。测量空气温度，逡逑可以通过精细提取与温度相关的瑞利－布里渊散射的谱型，利用扫描式共聚焦逡逑Ｆ－Ｐ干涉仪完成对的瑞利－布里渊散射谱型散点能量谱获取，精细拟合散射谱逡逑型获得其半高谱宽Ａｖｒ
逡逑１逡逑Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｉｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＩｉｚ）逡逑图２－１瑞利散射与米散射的散射谱分布逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｅｎｖｅｌｏｐｅ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｒａｙｌｅｉｇｈ邋ａｎｄ邋Ｍｉｅ邋ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ．逡逑２．２布里渊散射逡逑大气中的分子存在着连续不断的热运动，并使大气分子内始终存在着不逡逑同程度的弹性力学振动，导致对入射光产生的散射效应，这种现象称为布里逡逑渊散射Ｂ４＾。布里渊散射为非弹性散射，非弹性散射的特点为激发光的频率与逡逑散射光不Ｍ，并且散射光频率漂移量的大小与大气压力特性有关。一般来说，逡逑布里渊散射等同于在运动光栅上发生的衍射。通常认为：空气的浓度和密度会逡逑周期性变化，布里渊散射是压力与空气密度相关的非弹性散射。一般采用的逡逑布里渊模型如公式（２－４）所示。逡逑ａｖｂ＝ＸＣ逦（２－４）逡逑式中，１为激光波长，ｎ为大气折射率，＇＾为大气声速，０为散射角度。亩逡逑上式可知，，当入射激光波长不变时布里渊散射的频移与大气声速和折射率相逡逑关其中大气声速１４邋般简化为逡逑Ｖｓ＝逦（２－５）逡逑Ｖ邋ｍ0逡逑式中
的束腰位于测量点时，该点的能量最大，有利于系统信噪比的提高。由于平面波逡逑与高斯光束的不同，需要对激光准直扩束系统进行分析与计算，以确定最佳的调逡逑焦尨。＾般采用的光学扩束系统如图３－２所示。逡逑主娩逡逑次铁逡逑５邋／．逦逦Ｖ逦？逡逑／２邋１逡逑图３－２光学准直扩束系统示意图逡逑Ｆｉｇ．３－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｏｃｕｓｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑激光发射光束的入射面ｓ处入射，入射面Ｓ与次镜之间的为ｓ，再经过主镜逡逑／２汇聚到距离主镜／２为１的尅示测f埖悖按Γ骶涤氪尉抵涞木嗬胛耍插澹澹粒义细米贾崩┦低炒浔浠痪卣笪剑ǎ常保┧尽ｅ义希郏徨澹猓荩撸埽苠
本文编号：2784224
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98
【图文】：
和布里渊散射。布里渊散射会使得实验测得的瑞利散射谱加宽。米散射会使得实逡逑验测得的瑞利散射谱中心能量升高。因此，在利用瑞利散射进行温度测量时，必逡逑须对布里渊散射和米散射进行有效的剔除。米散射和瑞利散射谱型如图２－１所示。逡逑空气分子的瑞利散射谱函数Ｒ可表示为逡逑尺（Ｖ，Ｖ。）邋＝邋４Nｆ邋？邋ｅｘｐ［，２（？。）］逦（２－２）逡逑Ｖ邋0／邋ｖ０｛２ｔｉｋＴ）邋Ｌ邋２ｋＴｖＩ逡逑式中，ｍ为大气分子的分子质量，ｔｃ为玻尔兹曼常数，ｖ。为入射光频率，ｃ为逡逑光速，７为大气温度。逡逑空气分子瑞利散射光谱的多普勒展宽的半高全宽Ａｖｔ表示为逡逑Ｉ３２＾ｎ２逦（２－３）逡逑式中，▲为入射光波长，Ｍ为大气分子的相对分子质量。测量空气温度，逡逑可以通过精细提取与温度相关的瑞利－布里渊散射的谱型，利用扫描式共聚焦逡逑Ｆ－Ｐ干涉仪完成对的瑞利－布里渊散射谱型散点能量谱获取，精细拟合散射谱逡逑型获得其半高谱宽Ａｖｒ
逡逑１逡逑Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｉｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＩｉｚ）逡逑图２－１瑞利散射与米散射的散射谱分布逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｅｎｖｅｌｏｐｅ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｒａｙｌｅｉｇｈ邋ａｎｄ邋Ｍｉｅ邋ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ．逡逑２．２布里渊散射逡逑大气中的分子存在着连续不断的热运动，并使大气分子内始终存在着不逡逑同程度的弹性力学振动，导致对入射光产生的散射效应，这种现象称为布里逡逑渊散射Ｂ４＾。布里渊散射为非弹性散射，非弹性散射的特点为激发光的频率与逡逑散射光不Ｍ，并且散射光频率漂移量的大小与大气压力特性有关。一般来说，逡逑布里渊散射等同于在运动光栅上发生的衍射。通常认为：空气的浓度和密度会逡逑周期性变化，布里渊散射是压力与空气密度相关的非弹性散射。一般采用的逡逑布里渊模型如公式（２－４）所示。逡逑ａｖｂ＝ＸＣ逦（２－４）逡逑式中，１为激光波长，ｎ为大气折射率，＇＾为大气声速，０为散射角度。亩逡逑上式可知，，当入射激光波长不变时布里渊散射的频移与大气声速和折射率相逡逑关其中大气声速１４邋般简化为逡逑Ｖｓ＝逦（２－５）逡逑Ｖ邋ｍ0逡逑式中
的束腰位于测量点时，该点的能量最大，有利于系统信噪比的提高。由于平面波逡逑与高斯光束的不同，需要对激光准直扩束系统进行分析与计算，以确定最佳的调逡逑焦尨。＾般采用的光学扩束系统如图３－２所示。逡逑主娩逡逑次铁逡逑５邋／．逦逦Ｖ逦？逡逑／２邋１逡逑图３－２光学准直扩束系统示意图逡逑Ｆｉｇ．３－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｏｃｕｓｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑激光发射光束的入射面ｓ处入射，入射面Ｓ与次镜之间的为ｓ，再经过主镜逡逑／２汇聚到距离主镜／２为１的尅示测f埖悖按Γ骶涤氪尉抵涞木嗬胛耍插澹澹粒义细米贾崩┦低炒浔浠痪卣笪剑ǎ常保┧尽ｅ义希郏徨澹猓荩撸埽苠
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